У спеціально створених умовах мікроорганізми здатні синтезувати величезну кількість різноманітних ферментів. Вони невибагливі до складу поживного середовища, легко переключаються із синтезу одного ферменту на інший та мають відносно нетривалий цикл росту (16-100 год). Для промислового одержання ферментів використовують як природні штами мікроорганізмів, виділені із різних об’єктів, так і мутантні штами. Продуцентами ферментів можуть бути різні мікроорганізми: бактерії, гриби, дріжджі, актиноміцети. Мікроорганізми можуть синтезувати одночасно цілий комплекс ферментів, але є і моноферментні штами, які синтезують у великих кількостях тільки один фермент.
Способи культивування мікроорганізмів-продуцентів. Розроблено і впроваджено у виробництво два способи культивування продуцентів ферментів: поверхневий і глибинний.
Поверхневий спосіб у промисловості використовують для культивування мікроміцетів на поверхні твердого субстрату з розвиненою поверхнею: пшеничні висівки, дробина барди та ін. Пшеничні висівки зволожують і стерилізують. Посівну культуру вирощують у стерильних умовах, виробничу – в нестерильних умовах у кюветах, які встановлені в негерметичних камерах. Через ростильну камеру продувають стерильне повітря для видалення утвореного в процесі росту продуцентів тепла. Культуру на висівках висушують до вмісту вологи 10-11 %.
Недоліки поверхневого способу культивування – недостатня мікробіологічна чистота культури, наявність ручної праці з кюветами і висока собівартість ферментного препарату.
Глибинний спосіб культивування продуцентів ферментів на рідкому поживному середовищі в герметично закритих апаратах у стерильних умовах використовують для масового виробництва ферментів. Процес культивування повністю механізований, ферментний препарат одержують стерильним, що дуже важливо.
Технологічний процес культивування мікроорганізмів-продуцентів ферментів включає такі стадії: приготування посівного матеріалу в лабораторії; приготування чистої культури мікроорганізмів у виробничих умовах; приготування поживного середовища для ферментації; ферментація.
6.2. Класифікація і номенклатура ферментів та
ферментних препаратів
За сучасною класифікацією всі ферменти поділяють на шість основних класів за типом реакції, що каталізують (табл. 6.2).
Таблиця 6.2
Класифікація ферментів
| Клас ферментів | Тип реакції, що каталізується |
| Гідролази | Гідролітичне розщеплення складних органічних сполук |
| Ізомерази | Ізомеризація |
| Ліази | Негідролітичне розщеплення |
| Лігази(синтетази) | Синтез складних органічних сполук |
| Оксидоредуктази | Окиснення і відновлення |
| Трансферази | Перенесення атомних груп від одніє сполуки до іншої |
Більшість промислово важливих ферментів, потреба в яких виявляється у десятках тисяч тонн, відносяться до третього класу – гідролаз. Переважна кількість препаратів, які випускаються різними фірмами світу, є комплексними, такими, що містять велику кількість супутніх ферментів та білків. Через це в технології ферментів препарати частіше класифікуються за основним компонентом в суміші ферментів, присутніх у даному препараті: амілолітичні, протеолітичні, ліполітичні і т.д.
У нашій країні існує певна система найменування ферментних препаратів, в якій враховують основний фермент, джерело одержання і ступінь очищення. Назва кожного препарату включає: скорочену назву основного фермента, видову назва продуцента і закінчується назва препарату суфіксом “ин”. Далі ставиться індекс, в якому зазначені спосіб виробництва і ступінь очищення від баластних речовин. Глибинний спосіб культивування позначається літерою Г, поверхневий – П. Якщо препарат в неочищеній формі – це позначається літерою х. Між літерами П, Г та х може стояти цифра, яка означає ступінь очищення препарату. Індекс 2 позначає рідкий неочищений препарат вихідної культури; 3 – сухий ферментний препарат, одержаний висушувальним розпиленням неочищеного розчину ферменту (екстракт із поверхневої культури або культуральної рідини); 10 – сухий препарат, одержаний осадженням ферменту органічними розчинниками або методом висолювання. Індекси 15, 18, 20 позначають препарати, частково звільнені не лише від баластних речовин, але і від супутніх ферментів.
6.3. Характеристика активності ферментних препаратів
Ферменти є речовинами білкової природи, тому в суміші з іншими білками визначити їх кількість неможливо. Наявність певного фермента у даному препараті може бути встановлено за результатами тієї реакції, яку каталізує фермент, тобто за кількістю утворених продуктів реакції або за зменшенням вихідного субстрату.
Стандартна одиниця активності. Ця величина для будь-якого ферменту позначає ту кількість його, яка каталізує перетворення 1 мкмолю субстрату за 1 хв у стандартних умовах (температура 30 0С, концентрація субстрату, ферменту та рН оптимальні для даного ферменту). Українською, російською та німецькою мовами ця одиниця позначається літерою Е, а англійською, французькою, італійською та іспанською – U. Часто кількість субстрату не можна визначити числом мікромолей, тому що точно невідома маса молекули, наприклад при дії на білок, на крохмаль, пектин, целюлозу. У таких випадках визначають мікроеквівалент задіяних реакцією груп. Так, при гідролізі білка враховують не кількість прогідролізованих молекул, а кількість утворених вільних карбоксильних або амінних груп, тобто зруйнованих пептидних зв’язків; при гідролізі крохмалю і полісахаридів – кількість прогідролізованих глікозидних зв’язків і т.д.
6.4. Ферменти у молочній промисловості
В технологіях молочних продуктів широко використовують такі ферменти як протеази, ліпази, амінопептидази, лактазу, каталазу, лізоцим, лактопероксидазу, глюкозооксидазу, супероксиддисмутазу, сульфгідрооксидазу, глутаміназу та ін. (табл. 6.3).
Таблиця 6.3
Основні напрямки використання ферментів при виробництві молочних продуктів
| Ферменти | Мета застосування |
| Кислі протеїнази | Коагуляція молока |
| Нейтральні протеїнази і пептидази | Модифікація і зниження гіркоти сирів; виробництво гіпоалергенних молочних продуктів |
| Ліпази | Модифікація, прискорення дозрівання і ароматизація сирів; структурна модифікація молочних жирових продуктів |
| β-галактозидаза (лактаза) | Виробництво низько- і безлактозних молочних продуктів |
| Лактопероксидаза, каталаза | Холодна стерилізація молока |
| Лізоцим | Заміна нітратів у виробництві сирів |
| Трансглутаміназа | Стабілізація текстури йогуртів |
При виробництві сиру використовують в основному два препарати тваринного походження: сичужний фермент (ренін) і харчовий пепсин. Це протеолітичні ферменти, що каталізують гідроліз капа-казеїну на пара-казеїн та глікомакропептиди, з перенесенням останніх у сироватку і утворенням згустку за допомогою іонів кальцію.
Сировиною для одержання препарату є четвертий відділ шлунка теляти і ягняти. Від одного теляти можна одержати 25 г сировини, а від ягняти – всього 8 г. Препарати, які мають молокозгортальну активність, можна одержати і мікробним синтезом. Однак, повноцінних замінників реніну досить мало.
Найпоширенішими продуцентами ферментів, що використовуються в молочній промисловості, є Endothia parasitica, Mucor pusillus i Mucor miehei; якщо ж використовується не весь комплекс синтезованих ферментів, а лише його частина, то кількість продуцентів розширюється – Aspergillus, Bacillus subtilis, B. mesentericus, Thamnidium elegans.
При виробництві мікробних замінників сичужного ферменту на відміну від інших технологій достатньо часто використовують вирощування продуцента поверхневим способом.
У молочній промисловості ферменти можуть використовуватися у новітніх технологіях, наприклад, у виробництві низьколактозних продуктів (молоко питне, дитяче харчування, сири, йогурти і напої на основі сироватки з видаленою лактозою, а також морозиво, згущене молоко та т.ін.)
Перелік ферментних препаратів, що використовуються у молочній промисловості:
ü сичужний ферментний препарат Натурен – порошок, що містить молокозгортальні ферменти (химозин та тваринний пепсин); існує два типи продукту: Stamix 1150 (містить 50 % химозину і 50 % пепсину); Stabo 1290 (20 % химозину і 80 % пепсину); ферментий препарат використовують для виробництва будь-якого типу сиру – твердих, напівтвердих сирів, сиру кисломолочного та сирів із пліснявою;
ü чистий стандартизований розчин химозину CHY-MAX Extra – містить молокозгортальні ферменти, які мають виражену гідролітичну дію щодо капа-казеїну, що обумовлює гарне утворення згустку;
ü фермент β-галактозидаза (лактаза) Ha-Lactase – нейтральний препарат, одержаний шляхом ферментації відібраного штаму дріжджів Kluyveromyces fragilis; гідролізує лактозу до глюкози і галактози, дозволяє уникнути кристалізації молочного цукру в молоці; використовується для виготовлення солодких молочних продуктів, сквашених молочних продуктів, морозива та обробки сироватки.